НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

БУРАУ НАДІЯ ІВАНІВНА

УДК 519.004:621.833:629.7.036.3:681.142.2

ВІБРОАКУСТИЧНА ДІАГНОСТИКА

ТРІЩИНОПОДІБНИХ ПОШКОДЖЕНЬ ТУРБОЛОПАТНИХ МАШИН

НА СТАЦІОНАРНИХ ТА НЕСТАЦІОНАРНИХ РЕЖИМАХ

Спеціальність 05.11.13 – прилади і методи контролю

та визначення складу речовин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

КИЇВ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі приладів і систем орієнтації та навігації приладобудівного факультету Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Ігнатович Сергій Ромуальдович,

Національний авіаційний університет, декан

факультету літальних апаратів, завідувач кафедри

конструкції літальних апаратів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Воробйов Юрій Сергійович,

Інститут проблем машинобудування

ім. А.М.Підгорного НАН України,

завідувач відділу нестаціонарних механічних процесів

доктор технічних наук, професор

Дмитрієв Сергій Олексійович,

Національний авіаційний університет, заступник

директора аерокосмічного інституту, завідувач

кафедри збереження льотної придатності авіаційної

техніки

доктор технічних наук, доцент

Ігуменцев Євген Олександрович,

Українська інженерно-педагогічна академія, професор

кафедри систем управління технологічними процесами

та об’єктами

Провідна установа: АНТК “Антонов” Міністерство економіки України,

м. Київ.

Захист відбудеться “ 04 ” листопада 2005 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.18 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп.1, ауд.293.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці НТУУ “КПІ” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “13 ” вересня 2005 р.

В. о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради Колобродов В.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективність експлуатації турболопатних машин (ТМ) широкого кола призначення в основному визначається можливостями підтримки їх надійності, забезпечення ресурсу, зменшення витрат на технічне обслуговування (ТО) і відновлення. Забезпечення високої ефективності та безпеки експлуатації ТМ є надзвичайно актуальним для авіаційної техніки (АТ), зокрема для авіаційних газотурбінних двигунів (ГТД), і ґрунтується на переведенні АТ на експлуатацію за станом з контролем параметрів, тобто на основі інформації про фактичний ТС систем повітряного судна.

З огляду на це, одним з пріоритетних напрямків наукових досліджень в галузі на сьогоднішній день є розроблення, подальше вдосконалення та впровадження методів і засобів діагностування та контролю технічного стану (ТС) АТ в експлуатації, при виконанні ТО та при відновленні. Для ГТД перехід на систему експлуатації за станом потребує наукового обґрунтування та технічних розробок комплексної системи моніторингу та діагностики, яка повинна будуватись на основі використання ефективних методів та сучасних засобів оцінки, контролю та прогнозування ТС ГТД. Побудова комплексної системи моніторингу пов’язана з вирішенням ряду проблем теоретичного та прикладного характеру для врахування фізичної сутності тих процесів, які в ГТД є носіями діагностичної інформації, і набуття необхідних знань про закономірності зародження і розвитку пошкоджень, що необхідно для їх класифікації, моделювання та дослідження впливу пошкоджень на основні характеристики діагностичної інформації.

Як показує практика, значна частина відмов авіаційних двигунів зумовлена експлуатаційними пошкодженнями компресорів та турбін внаслідок появи та розвитку в робочих лопатках тріщиноподібних пошкоджень (забоїн, тріщин втоми, корозії, ерозії і т.і.). Тому однією з важливих та актуальних проблем комплексної діагностики ГТД є проблема визначення ТС лопаток в процесі функціонування двигуна та діагностування тріщиноподібних пошкоджень на ранній стадії розвитку, що дозволить значно зменшити вірогідність руйнування лопаток при експлуатації ГТД. В дисертаційній роботі проблему діагностування тріщиноподібних пошкоджень в лопатках ГТД в умовах експлуатації на стаціонарних та нестаціонарних режимах пропонується вирішити на основі застосування вібраційних та віброакустичних методів діагностики, у зв‘язку з чим очевидна важливість та актуальність їх розвитку і вдосконалення.

Зв‘язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в Національному технічному університеті України “КПІ” відповідно до пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки в Україні (постанова КМ України №1716 від 24.12.2001 р.), відповідно до Державної комплексної програми розвитку авіаційного транспорту в Україні до 2010 року (постанова КМ України №919 від 27.07.01 р.), Програми створення та реальної організації системи науково-технічного забезпечення процесів експлуатації авіаційної техніки (наказ МТ України №752 від 02.11.01 р.), відповідно до науково-дослідної роботи “Проведення досліджень технічного стану ЛНГ вертольота Ка-26 з метою наукового обґрунтування експлуатації зі збільшеним призначеним строком служби” (на замовлення ДП Укр.ЦЕАТу згідно рішення Укравіатрансу №ДР-0845/Ка-26-2001 від 01.02.01 р.). Окремі наукові результати роботи отримано при проведенні досліджень відповідно до планів науково-дослідних робіт приладобудівного факультету та кафедри приладів і систем орієнтації та навігації №1992 “Розробка методик, алгоритмів та програмного забезпечення для контролю параметрів”, №328/6 “Вібраційний моніторинг елементів конструкцій споруд та обладнання”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення наукових основ розробки системи віброакустичного моніторингу, діагностики та оцінювання тріщиноподібних пошкоджень в лопатках ГТД на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації шляхом розвитку теоретичних засад віброакустичних методів діагностування, застосування ефективних методів обробки діагностичної інформації та сучасних інформаційних технологій для розпізнавання технічного стану лопаток ГТД.

Для досягнення поставленої мети в роботі знайшли вирішення наступні задачі:

1. Розробка та дослідження динамічної моделі турболопатної машини як об’єкту віброакустичної діагностики тріщиноподібних пошкоджень лопаток на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації.

2. Розробка, теоретичне обґрунтування та дослідження моделей лопатки з тріщиноподібним пошкодженням при стаціонарних та нестаціонарних вібраційних збуреннях. Встановлення закономірностей впливу тріщиноподібного пошкодження на параметри та характеристики вільних і вимушених стаціонарних та нестаціонарних коливань моделей лопатки.

3. Аналітичне визначення та дослідження впливу тріщиноподібного пошкодження на кореляційні та спектральні характеристики нестаціонарних коливань моделі лопатки з пошкодженням при вузькосмуговому нестаціонарному вібраційному збуренні.

4. Обґрунтування доцільності та ефективності застосування методів багатомірного спектрального аналізу, частотно-часових перетворень, масштабно-часового перетворення та чисельних характеристик віброакустичних сигналів для обробки діагностичної інформації на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації ГТД.

5. На основі чисельного та фізичного моделювання робочого колеса ГТД на стаціонарних та нестаціонарних режимах вібраційного збурення визначення закономірностей впливу тріщиноподібного пошкодження на результати обробки діагностичної інформації. Визначення та дослідження діагностичних ознак пошкодження.

6. Визначення аналітичних залежностей для оцінювання параметру пошкодження та дослідження якості отриманих оцінок.

7. Розробка методичних засад використання нейронних мереж для розпізнавання ТС лопаток ГТД на стаціонарних та нестаціонарних режимах вібраційного збурення, оцінювання вірогідності розпізнавання ТС лопаток.

8. Розробка методики віброакустичного діагностування тріщиноподібних пошкоджень турболопатних машин на стаціонарних та нестаціонарних режимах, впровадження результатів роботи в практику технічного обслуговування та контролю АТ.

Об’єкт дослідження – турболопатні машини та віброакустичні процеси в них на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації.

Предмет дослідження – вплив тріщиноподібних пошкоджень лопаток на віброакустичні характеристики турболопатних машин на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації.

Методи дослідження. Проведені в роботі теоретичні дослідження ґрунтуються на методах теорії лінійних, нелінійних та нестаціонарних систем, асимптотичних методах нелінійної механіки, спектрально-кореляційному аналізі, теорії сигналів, методах аналізу нестаціонарних сигналів, теорії ймовірності та математичної статистики, методах обробки сигналів, методах оцінювання параметрів, методах розпізнавання образів. Для дослідження особливостей застосування запропонованих методів та алгоритмів, обґрунтування їхньої працездатності та ефективності використано чисельне та фізичне моделювання робочого колеса ГТД та повного процесу його діагностування. Для експериментальних досліджень характеристик фізичної моделі робочого колеса та фізичних моделей окремих лопаток використано метод вільних коливань.

Наукова новизна отриманих результатів.

В дисертації вперше отримані такі нові наукові результати:

1. Розроблено динамічну модель турболопатної машини як об’єкту віброакустичної діагностики тріщиноподібних пошкоджень лопаток, що дозволило сформувати та дослідити вимірювані сигнали на стаціонарному та нестаціонарних режимах вібраційного збурення.

2. Отримано аналітичні залежності та визначено вплив пошкодження на спектральну щільність вільних коливань лопатки, вплив початкової нелінійності моделі лопатки на параметри та спектральну щільність вільних коливань, встановлено залежність характеристик вільних та вимушених коливань лопатки від параметру пошкодження для розробленої нестаціонарної моделі лопатки з початковим тріщиноподібним пошкодженням.

3. Встановлено закономірності впливу тріщиноподібного пошкодження на характеристики коливань моделей лопаток на нестаціонарних режимах вібраційного збурення. Отримано аналітичні залежності та визначено вплив тріщиноподібного пошкодження на кореляційні та спектральні характеристики коливань моделі лопатки при нестаціонарному вузькосмуговому вібраційному збуренні.

4. Запропоновано та обґрунтовано використання методів багатомірного спектрального аналізу, частотно-часових перетворень, масштабно-часового перетворення та чисельних характеристик віброакустичних сигналів для обробки діагностичної інформації на стаціонарному та нестаціонарних режимах експлуатації ГТД. В результаті чисельного та фізичного моделювання для кожного режиму вібраційного збурення встановлено закономірності впливу тріщиноподібного пошкодження на визначені частотні, частотно-часові та чисельні характеристики віброакустичних сигналів, визначено діагностичні ознаки пошкодження, які мають найбільшу діагностичну цінність.

5. Отримано аналітичні залежності для оцінювання параметру тріщиноподібного пошкодження за визначеними безрозмірними амплітудними характеристиками віброакустичних сигналів на стаціонарному та нестаціонарних режимах експлуатації ГТД.

6. Встановлено значення параметру впливу нейронної мережі для забезпечення прийнятної вірогідності діагностики для кожного з режимів вібраційного збурення.

Практичне значення одержаних результатів.

·

·

·

·

Результати роботи мають практичне застосування. За результатами проведених досліджень технічного стану лопатей несучих гвинтів вертольота Ка-26 за розробленою методикою вимірювань та обробки діагностичної інформації було зроблено наукове обґрунтування експлуатації зі збільшеним призначеним строком служби, на основі якого прийнято відповідне Рішення Державного департаменту авіаційного транспорту України №ДКР-0050/Ка-26-2003 від 11.04.2003 р. Методики та програми діагностування пошкоджень лопаток в процесі стендових випробувань впроваджені в практику контролю АТ на ДП завод 410 ЦА (м. Київ). Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі кафедри приладів і систем орієнтації та навігації Національного технічного університету України “КПІ” та Інституту новітніх технологій Національного авіаційного університету.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем визначено напрямки розвитку віброакустичних методів для діагностики тріщиноподібних пошкоджень в лопатках ГТД; розроблено, теоретично обґрунтовано та досліджено моделі лопатки з пошкодженням та динамічну модель турболопатної машини; досліджено вплив тріщиноподібного пошкодження на параметри і характеристики вільних коливань моделей лопатки та вимушених коливань при стаціонарному та нестаціонарному вібраційному збуренні; обґрунтовано доцільність застосування відповідних методів обробки діагностичної інформації; розроблено схеми та методики чисельного моделювання, розроблено методику та організовано фізичне моделювання робочого колеса; проаналізовано результати обробки діагностичної інформації, визначено та досліджено діагностичні ознаки пошкодження на стаціонарних та нестаціонарних режимах; розроблено методику експериментальних досліджень моделей лопаток за методом вільних коливань; отримано аналітичні залежності для оцінювання параметру пошкодження за безрозмірними характеристиками віброакустичних процесів; проаналізовано вірогідність розпізнавання стану лопаток нейронними мережами. Роботи, які пов’язані з програмною реалізацією використаних методів і алгоритмів, проведенням моделювання таекспериментальних досліджень, безпосередньою обробкою експериментальних чи змодельованих даних, розпізнаванням стану, виконані за участю студентів та аспірантів Боярчука А.О., Марчука П.І., Тяпченка О.М., Зажицького О.В., Сопілки Ю.В., Посуховського Д.В., Яценка О.Б. під науковим керівництвом здобувача. Конкретний внесок автора в опубліковані у співавторстві наукові праці наведено у переліку робіт, опублікованих по темі дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи були представлені на 133 з’їзді Акустичного товариства Америки та Національній конференції “Контроль шуму - 1997”, Пенсільванія, США, 1997 р.; нараді “Розвиток методологій для діагностики пошкоджень вертольоту” та 52 з’їзді товариства превентивних технологій діагностики пошкоджень машин і механізмів, Вірджінія, США, 1998 р.; ІІ Міжнародній конференції “Динаміка роторних систем”, м. Кам’янець-Подільський, 1998 р.; ІІ Міжнародній конференції “Комп’ютерні методи та зворотні задачі в неруйнівному контролі та діагностиці”, м. Мінськ, Білорусь, 1998 р.; 15 Російській науково – технічній конференції “Неруйнівний контроль та діагностика”, м. Москва, Росія, 1999 р.; Міжнародній конференції по проблемах керування, м. Москва, Росія, 1999 р.; 19 Конгресі “Вібрації в фізичних системах”, Познань – Блажеєвко, Польща, 2000 р.; 15 Всесвітній конференції по неруйнівному контролю, Рим, Італія, 2000 р.; Міжнародній науковій конференції, присвяченій 70-річчю Центрального інституту авіаційного моторобудування “Двигуни 21 сторіччя”, м. Москва, Росія, 2000 р.; Конференції ЛЕОТЕСТ-2001, м. Славське, 2001 р.; ІІІ Міжнародній молодіжній науково - прикладній конференції “Людина і космос”, м. Дніпропетровськ, 2001 р.; 3 – 9 Міжнародних Конгресах двигунобудівників, Харків – Рибаче, 1998 – 2004 рр.; І та ІІ Міжнародних науково – технічних конференціях “Проблеми динаміки і міцності в газотурбобудуванні”, м. Київ, 2001 р. та 2004 р.; науково – технічній конференції та виставці “НРК - 2002”, м. Київ, 2002 р.; науково – технічних конференціях “Приладобудування 2002”, “Приладобудування 2003” та “Приладобудування 2004”, м. Київ, 2002 – 2004 рр.; 5 та 6 Міжнародних науково – технічних конференціях “АВІА – 2003” та “АВІА – 2004”, м. Київ, 2003 – 2004 рр.; Міжнародній конференції “Прогрес в кількісному неруйнівному оцінюванні”, Голден (Колорадо), США, 2004 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 60 наукових робіт, серед яких 27 статей, які відповідають вимогам ВАК України до публікації результатів у фахових виданнях (з них 5 – без співавторів), 6 доповідей у збірниках праць конференцій та 27 тез доповідей. Основні публікації наведено в кінці автореферату.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації становить 397 сторінок, у тому числі 94 рисунки, 17 таблиць і додатки А,Б,В,Д та Е. Список використаних джерел містить 235 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження, наведено дані щодо наукової новизни, практичної цінності та впровадження отриманих результатів, наведено дані про публікації та апробацію роботи.

Перший розділ містить аналіз сучасного стану методів та засобів діагностування несправностей ГТД, на основі якого визначено задачі даного дослідження. Відповідно до вимог підвищення безпеки польотів та необхідності раннього виявлення несправностей в системах, вузлах та елементах двигуна, розглядаються основні завдання діагностики та визначення ТС ГТД, а також особливості їх розв’язання. Ці особливості обумовлені як складністю самого об’єкту діагностики та процесів, що протікають в ньому на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації, так і множиною проявів та впливів на характеристики робочих процесів можливих несправностей та пошкоджень. Вирішення проблеми визначення ТС ГТД ґрунтується на розробці та впровадженні комплексної автоматичної системи, яка повинна об’єднувати в собі сукупність методів та засобів діагностики, оптимальних з точки зору отримання достатньої кількості діагностичної інформації для забезпечення мінімуму невизначеності при розпізнаванні ТС окремих систем та двигуна в цілому.

Проведений аналіз експлуатаційних пошкоджень елементів ГТД показав, що значна частина відмов авіаційних двигунів зумовлена пошкодженнями компресорів та турбін внаслідок появи та розвитку в робочих лопатках тріщиноподібних пошкоджень (забоїн, тріщин втоми, корозії, ерозії і т.і.). За наявності моніторингу за станом лопаток робочих коліс більшість тріщиноподібних пошкоджень могли бути виявлені на ранній стадії їх розвитку і не зумовлювали б відмов ГТД, які можуть призвести до катастрофічних наслідків. Тому визначення ТС лопаток ГТД в процесі експлуатації та діагностика появи та розвитку в них тріщиноподібних пошкоджень є важливою та актуальною проблемою комплексної діагностики ГТД.

В результаті аналізу методів та засобів діагностування, які на сьогоднішній день є найбільш пристосованими до ГТД та умов їх експлуатації, для вирішення вказаної проблеми в дисертаційній роботі виділені та досліджуються методи вібраційної та віброакустичної діагностики. Їх вибір серед інших методів зумовлений різноманітністю фізичної природи, високою інформативністю та широким частотним діапазоном вібраційних та віброакустичних сигналів, що забезпечує їх практично миттєву реакцію на зміну ТС об’єкту, простотою перетворення вібраційних та акустичних сигналів у електричні, можливістю застосування сучасних методів обробки інформації, можливістю визначення ТС ГТД безпосередньо в процесі експлуатації.

Проведений в роботі аналіз особливостей генерування вібрацій та акустичного шуму в ГТД, аналіз інформаційних властивостей їх спектрів показав, що спектри вібрацій (вібраційної швидкості) та шуму широко застосовуються для визначення стану ГТД та діагностики багатьох пошкоджень та дефектів. Частоти діагностичних вібраційних та акустичних сигналів співпадають, тому інформаційні властивості їх спектрів є порівнянними. Але є багато факторів, які спричиняють труднощі в процесах виділення та трактування інформативних діагностичних ознак на основі аналізу спектрів вібрацій та шуму. Основним серед них є низька чутливість спектрів, як узагальненої енергетичної характеристики вібрації ГТД, до зародження та початкового розвитку тріщиноподібних пошкоджень елементів двигуна. Початкові пошкодження зумовлюють появу у вимірюваному віброакустичному сигналі складових з малою коливальною енергією, що практично не виділяються традиційними методами спектрального аналізу.

На сьогоднішній день існує значний науковий та практичний інтерес до проблеми діагностування тріщиноподібних пошкоджень в лопатках ГТД в умовах експлуатації. В роботі виділено праці та результати, що є найбільш вагомим внеском у вирішення даної проблеми. Насамперед, це роботи Ю.С. Воробйова, В.В. Матвєєва, А.П. Бовсуновського, М.П. Плахтієнка, А.Б. Ройтмана, Є.О. Ігуменцева. Але проведені наукові дослідження в основному були зосереджені в напрямках виявлення закономірностей впливу пошкодження типу тріщини втоми на вільні та резонансні коливання лопатки та оцінювання ефективності використання для його діагностування окремих вібраційних характеристик (власні частоти та форми коливань, характеристики демпфірування, параметри суб- та супергармонічних коливань). Дослідження резонансних вимушених коливань проводяться в основному лише при стаціонарному гармонічному збуренні. Це означає, що отримані результати можуть знайти практичне застосування тільки в обмежених умовах стаціонарних режимів роботи ГТД. В реальних умовах експлуатації авіаційних двигунів присутні нестаціонарні режими (запуск двигуна, швидкий набір висоти, зниження, інші еволюції). Як відзначається в роботах С.М. Дорошка, Є.А. Коняєва, В.П. Іванова, нестаціонарні режими роботи двигуна є більш інформативними з точки зору наявності в них максимальних змінювань спектрів вібрацій та шуму, а режим змінювання частоти обертання ротору при розгоні чи вибігу двигуна зумовлює вібраційне збудження лопаток вищими гармоніками частоти обертання ротору. Такі режими доцільно використати для діагностики пошкоджень лопаток. Слід відзначити, що використання нестаціонарних режимів на сьогоднішній день вже знайшло своє відображення в роботах С.О. Дмитрієва при розробці нового методу параметричного діагностування ГТД.

Проведений огляд та аналіз результатів наявних досліджень показав їх обмеженість для вирішення проблеми вібраційного та віброакустичного моніторингу ТС лопаток ГТД та діагностики в них тріщиноподібних пошкоджень на етапі їх початкового розвитку. Практично не проведено досліджень впливу початкових та малих пошкоджень (як, наприклад, забоїни) на вібраційні та віброакустичні характеристики вільних та резонансних коливань лопатки, а досліджені вібраційні характеристики тріщини є малочутливими до початкових пошкоджень та малоінформативними в реальних умовах вимірювань. Не вирішені задачі дослідження характеру вібраційного збурення лопаток на штатних (стаціонарних та нестаціонарних) режимах експлуатації ГТД та впливу малих тріщиноподібних пошкоджень в лопатці на параметри та характеристики коливань робочих коліс ГТД на вказаних режимах. Потребують вдосконалення методи обробки діагностичної інформації для забезпечення ефективного визначення інформативних характеристик виміряних сигналів, які є чутливими до появи та розвитку пошкодження на стаціонарних та нестаціонарних режимах ГТД.

Таким чином, виконаний в роботі аналіз стану проблеми дозволив сформулювати наведені вище задачі дисертації та обрати відповідні їм методи досліджень.

Другий розділ присвячено розробці динамічної моделі турболопатної машини як об’єкту віброакустичної діагностики. Складність ГТД як динамічної системи значною мірою ускладнює формалізацію опису його поведінки на стаціонарних і нестаціонарних режимах та можливість отримати кількісну математичну модель. Але аналіз закономірностей процесів збудження та розповсюдження вібраційних та акустичних коливань в елементах конструкції ГТД дозволив побудувати якісну структурно-функціональну модель двигуна, яка відображає стани двигуна за відсутності та наявності тріщиноподібного пошкодження в лопатці робочого колеса, та забезпечує формування віброакустичних каналів, що пов’язують джерело вібраційного збурення на вказаних режимах з реакцією відповідного робочого колеса та двигуна в цілому.

Проведений аналіз вібраційних збурень лопаток ГТД в процесі експлуатації показав, що основним та найбільш важливим джерелом вібрації механічного походження є обертовий ротор. Відповідно, роторна вібрація є головним чинником вібраційного збурення елементів робочих коліс ГТД. На стаціонарних режимах вібраційне збурення відбувається з частотою обертання ротора , та з кратними частотами (через нелінійність характеристик елементів в реальних ГТД). Для математичного опису стаціонарного вібраційного збурення в роботі використано модель полігармонічного процесу та модель у вигляді суми кінцевого числа вузькосмугових компонент та широкосмугового вібраційного шуму.

На нестаціонарних режимах експлуатації відбувається близьке до лінійного змінювання частоти обертання ротору на протязі встановлених часових інтервалів (рис.1). Миттєве значення частоти визначається за виразом , де - початкове значення частоти; - швидкість змінювання частоти; знак відповідає режимам збільшення (прийомистість – крива 1, запуск – крива 2) чи зменшення (дроселювання – крива 3) частоти обертання ротору. Математичний опис у детермінованому поданні враховує кратні роторні гармоніки, а в стохастичному поданні має вигляд:

, (1)

де ; - стала величина; - стаціонарний випадковий нормальний процес, що модулює, з нульовим середнім значенням (СЗ) та кореляційною функцією ; - випадкова початкова фаза, що рівномірно розподілена на інтервалі і статистично незалежна від.

Для нестаціонарних режимів експлуатації в роботі отримано та проаналізовано нові аналітичні залежності кореляційної функції та спектральної щільності (СЩ) збурення (1), які в подальших дослідження використано для визначення кореляційних і спектральних характеристик нестаціонарних коливань лопаток.

Вібрація аеродинамічного походження збуджується лопатковими вузлами ГТД через окружну нерівномірність потоків повітря, що протікає через рухомі та нерухомі вінці лопаток. Кожне робоче колесо генерує вібрацію на роторних гармоніках, та на частотах в раз більших, де – число лопаток j-го робочого колеса. Нерегулярні процеси в проточній частині ГТД (вібраційне горіння, обертовий зрив, пульсації) являють собою випадкові вібраційні збурення лопаток кожного колеса . Джерелами акустичного шуму є лопаткові апарати. Шуми мають спектр з багатьма дискретними складовими, найбільш інтенсивними з яких є складові на частотах слідкування лопаток робочих коліс та на кратних їм, а шум із суцільним спектром генерується турбулентними явищами та вихроутвореннями поблизу задніх кромок профілів лопаток і описується як стаціонарний випадковий процес. Вібрація несилових елементів, підшипникових вузлів, редукторів і приводів ГТД в основному є широкосмуговою із суцільним спектром та відносно низькою інтенсивністю і враховується як вібраційний фон при вимірюваннях .

Для вирішення діагностичних задач в ГТД доцільно використовувати спрощені моделі двигуна у вигляді деякої кількості не зв’язаних між собою взаємним вібраційним впливом схем, які моделюють окремі вузли роторів компресора та турбіни. Визначення ТС лопаток відповідає найвищому ступеню деталізації місця виникнення несправності. Тому елементами динамічної моделі ГТД є моделі лопаток робочих коліс, а сукупність робочих коліс, що приводяться в обертання ротором та знаходяться під впливом описаних вище вібраційних та акустичних збурень, є динамічною моделлю однороторного ГТД. По відношенню до роторного вібраційного впливу сукупність робочих коліс представляється системою з паралельним з’єднанням підсистем “диск-лопатки”. Відповідно до структури (рис. 2), модель визначає необхідне перетворення вібраційних та акустичних збурень на стаціонарному та нестаціонарних режимах експлуатації у вимірюваний акустичний сигнал в часовому поданні і відображає принцип формування та структуру вимірюваного сигналу:

, (2)

де , - відповідно реакція -тої лопатки j-тої підсистеми на роторну вібрацію та вібрацію аеродинамічного походження.

Для визначення моделей лопаток проаналізовано сили, які діють на робочі лопатки при експлуатації, що дозволило прийняти напружений стан лопаток одновісним. Він характеризується діянням вздовж осі лопатки напружень розтягу та згину від механічних сил та температурних напружень. Це дозволило за модель лопатки без пошкодження прийняти модель лінійної коливальної системи з одним ступенем вільності. Тріщиноподібне пошкодження моделюється як порушення суцільності матеріалу, що призводить до змінювання жорсткості на півциклах деформування. За модель лопатки з пошкодженням прийнята коливальна система з одним ступенем вільності з кусково-лінійною характеристикою відновлювальної сили. Відносне змінювання жорсткості характеризує відхилення характеристики відновлювальної сили від лінійної залежності і використовується в роботі як параметр тріщиноподібного пошкодження, який для початкових пошкоджень змінюється в межах 0,01,...0,1.

В роботі теоретично обґрунтовуються та досліджуються наступні моделі лопатки з тріщиноподібним пошкодженням.

1. Модель без урахування сил опору. Вільні коливання моделі подаються у вигляді розкладання в ряд Фур’є за гармоніками основної частоти :

, (3)

де , та - функції відносного змінювання жорсткості .

При збуренні моделі одиничним миттєвим імпульсом виразом (3) описується імпульсна характеристика даної коливальної системи , що дозволило для кінцевої суми ряду представити модель лопатки лінійною системою з паралельним з’єднанням інтегруючої та коливальних ланок, передатні функції яких залежать від параметру . Отримана модель дозволяє аналітично визначати реакцію лопатки на довільні збурення та досліджувати вплив пошкодження на віброакустичні характеристики ГТД на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації.

2. Модель лопатки з урахуванням сил опору, що описується нелінійним рівнянням

, (4)

де - коефіцієнт демпфірування; та - функції параметру пошкодження .

Модель використовується для аналітичних досліджень характеристик вільних коливань та для чисельного моделювання стаціонарних та нестаціонарних вимушених коливань лопатки.

3. Модель лопатки як лінійна нестаціонарна система. Модель отримана шляхом апроксимації нелінійної функції в (4) обмеженим рядом Фур’є, що є прийнятним для початкових пошкоджень . Вільні коливання моделі описуються диференціальним рівнянням з періодично змінюваним параметром

, (5)

де - власна частота моделі лопатки без пошкодження; та - функції параметру пошкодження .

Модель є лінійною, враховує розсіювання енергії та дозволяє проводити аналітичні дослідження впливу пошкодження на віброакустичні характеристики лопаток при довільних вібраційних збуреннях.

Таким чином, сформована динамічна модель ГТД та вираз (2) в залежності від виду імпульсних характеристик моделей лопаток характеризують стани двигуна за відсутності чи наявності тріщиноподібних пошкоджень в лопатці та дозволяють дослідити їх вплив на характеристики вимірюваного сигналу на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації.

У третьому розділі проведено теоретичні дослідження впливу пошкодження на вільні коливання моделей лопатки (дослідження імпульсних характеристик) та на характеристики вимушених нерезонансних коливань моделей лопаток при стаціонарному вібраційному збуренні (на штатних стаціонарних режимах експлуатації двигуна).

Для моделі лопатки без врахування розсіювання енергії встановлено, що поява пошкодження призводить до збагачення її вільних коливань постійною складовою та складовими на вищих гармоніках основної частоти , найбільш представницькою з яких є друга гармоніка. У якості діагностичних ознак пошкодження використано відношення постійної складової та амплітуди другої гармоніки до амплітуди основної гармоніки вільних коливань. Збільшення параметру пошкодження в діапазоні 0,01,...,0,1 призводить до збільшення величини діагностичної ознаки на основі постійної складової майже на порядок, а на основі другої гармоніки - в 5 разів. Для даної моделі аналітично визначено реакцію моделі лопатки на полігармонічне вібраційне роторне збурення на стаціонарному режимі експлуатації двигуна. Поява та розвиток тріщиноподібного пошкодження призводить до зростання амплітуд складових вимушених нерезонансних коливань моделі лопатки у відповідності до збільшення додаткових складових в імпульсній характеристиці моделі лопатки. Найбільший вплив на амплітуди вимушених нерезонансних коливань має постійна складова імпульсної характеристики моделі лопатки. Для стохастичної моделі роторної вібрації в роботі отримано та проаналізовано новий аналітичний вираз для визначення СЩ вимушених коливань даної моделі лопатки, в результаті чого встановлено, що інтенсивність зумовлених пошкодженням додаткових складових СЩ на 60-200 дБ менше інтенсивності основних складових, що визначаються параметрами вібраційного збурення.

Для моделі лопатки з урахуванням розсіювання енергії отримано нову аналітичну залежність СЩ вільних коливань, аналіз якої показав, що поява пошкодження призводить до збагачення СЩ складовими на вищих гармоніках. У якості діагностичних ознак запропоновано багатомірний вектор, складові якого є відношеннями спектральної щільності потужності (СЩП) вищих та основної гармонік і які зростають зі збільшенням параметру , що підтверджено експериментально. Для даної моделі лопатки з пошкодженням в роботі проаналізовано вплив початкової нелінійності відновлювальної сили на параметри та характеристики вільних коливань. Аналіз отриманих аналітичних залежностей для вільних коливань нелінійних моделей лопатки без пошкодження та з пошкодженням показав, що в обох випадках початкова нелінійність зумовлює зменшення частот вільних коливань моделі лопатки. Це робить недоцільним використання змінювання частоти вільних коливань лопатки в якості діагностичної ознаки пошкодження. З урахуванням початкової нелінійності моделей лопатки без пошкодження та з пошкодженням в роботі отримано нові аналітичні залежності для визначення СЩ вільних коливань, за результатами аналізу яких з вектору діагностичних ознак пошкодження було вилучено складові на основі вищих непарних гармонік вільних коливань, як такі, що зумовлені початковою нелінійністю моделі, а не впливом пошкодження. Для даної моделі проведено оцінювання математичного сподівання та дисперсії реакції лопатки на випадкове стаціонарне вібраційне збурення, в результаті чого встановлено, що в досліджуваному діапазоні значень вплив пошкодження на вказані характеристики реакції моделі є незначним.

Для нестаціонарної моделі лопатки отримано і проаналізовано новий аналітичний вираз для визначення імпульсної характеристики:

, (6)

де ; ; - нелінійні комбінації функцій Беселя до другого порядку включно, аргумент яких залежить від параметру і зростає з його збільшенням.

Аналіз виразу (6) показав, що в діапазоні значень =0,01...0,05 серед додаткових складових імпульсної характеристики, зумовлених появою пошкодження, найбільшої інтенсивності досягають постійна складова (на частоті , де =,...,) та складова на подвоєній частоті змінювання жорсткості (, де =1,995,...,1,975). Це свідчить про ідентичність впливу тріщиноподібного пошкодження на імпульсні характеристики нестаціонарної моделі лопатки та розглянутої вище моделі лопатки без урахування розсіювання енергії за обмеження імпульсних характеристик найбільш представницькими постійною складовою та першими двома гармоніками.

В роботі отримано й проаналізовано новий аналітичний вираз для комплексної передатної функції нестаціонарної моделі лопатки, параметри складових якої є функціями відносного змінювання жорсткості , аналітично визначено реакцію нестаціонарної моделі лопатки на роторне вібраційне збурення на стаціонарному режимі експлуатації двигуна. Поява пошкодження призводить до появи додаткових коливальних складових в реакції моделі на комбінаційних частотах, максимальна інтенсивність яких для =0,01…0,05 на 50-150 дБ менша за інтенсивність основних складових на частотах збурення.

Таким чином, початкове тріщиноподібне пошкодження (=0,01…0,1) призводить до досить незначних (за інтенсивністю додаткових складових) змін імпульсних характеристик моделей лопатки з пошкодженням та характеристик їх вимушених нерезонансних коливань при стаціонарному вібраційному збуренні.

Четвертий розділ присвячено теоретичним дослідженням впливу тріщиноподібного пошкодження на характеристики коливань моделей лопаток на нестаціонарних режимах експлуатації двигуна.

Для отримання аналітичного опису коливань лопатки, які збуджуються нестаціонарним вібраційним роторним впливом зі змінною частотою, було розглянуто модель лопатки без пошкодження.

Реакція лінійної системи на нестаціонарне збурення визначається інтегралом Дюамеля:

, (7)

де - імпульсна характеристика моделі; - детермінована модель нестаціонарного збурення; , - відповідно визначають початок та кінець часового інтервалу змінювання частоти обертання ротору ГТД на нестаціонарних режимах.

Для лопатки без пошкодження за виразом (7) з використанням табульованих функцій отримано аналітичні залежності, які показують, що при повільній зміні частоти вібраційного збурення () коливання лопатки є нестаціонарним процесом зі змінною частотою. Амплітуда коливань змінюється за формою амплітудно-частотної характеристики моделі лопатки:

,

де ; ; .

При швидкій зміні частоти () вібраційна дія збуджує вільні згасаючі коливання лопатки з частотою та коефіцієнтом згасання h, амплітуда яких залежить від швидкості змінювання частоти:

,

де - фазовий зсув в момент часу ; ; - час, що відраховується з моменту .

Для моделі лопатки з пошкодженням без врахування розсіювання енергії, імпульсна характеристика якої визначається за виразом (3), отримано та проаналізовано нові аналітичні вирази коливань лопатки для випадку швидкої зміни частоти нестаціонарного збурення у разі:

- знаходження і-тої гармоніки змінної частоти в межах резонансної області моделі лопатки:

, (8)

де ; ; ; - функції , , та інтегралів Френеля, аргументи яких залежать від параметру пошкодження та параметрів вібраційного збурення; t – час, що відраховується з моменту збудження вільних коливань.

Нестаціонарна дія збуджує вільні коливання моделі, що являють собою полігармонічний процес (8), параметри якого є функціями відносного змінювання жорсткості . В якості діагностичних ознак рекомендується використати відношення обвідних за другою та першою гармоніками та відношення середнього значення до обвідної за першою гармонікою збуджених вільних коливань моделі лопатки, які за функціональною залежністю від є близькими до ознак та .

- знаходження і-тої гармоніки змінної частоти поза межами резонансної області моделі лопатки:

, (9)

де - нелінійні комбінації добутків параметрів та імпульсної характеристики та інтегралів Френеля, аргументи яких залежать від параметру пошкодження та параметрів вібраційного збурення.

Аналіз (9) показав, що збільшення параметру пошкодження в межах 0,01,...0,1 зумовлює зростання відносної амплітуди нестаціонарних коливань моделі лопатки приблизно в 2 рази на режимі прийомистості () та приблизно в 2,3 рази на режимі запуску (), причому зростання є нерівномірним в діапазоні =0,01...0,1, зокрема для <0,04 воно не перевищує 5-7%.

Нові аналітичні вирази для визначення реакції лопатки на нестаціонарне вібраційне збурення отримано також і для нестаціонарної моделі лопатки з пошкодженням.

Коливання нестаціонарної моделі лопатки на нестаціонарних режимах експлуатації ГТД є модульованими за амплітудою, а функція, що модулює, є обмеженим рядом за гармоніками частоти періодичного змінювання параметру жорсткості, починаючи з її нульового значення:

, (10)

де - безрозмірні величини, значення яких залежить від параметрів нестаціонарної моделі лопатки, а відтак і від параметру , та параметрів нестаціонарного збурення.

Як показав аналіз виразу (10), серед складових функції, що модулює, найбільш представницькою є постійна складова. Збільшення параметру пошкодження в межах =0,01...0,05 призводить до зростання вказаної складової від 1,5 до 3,75 разів.

В роботі проведено дослідження характеристик коливань моделей лопаток при вузькосмуговому нестаціонарному вібраційному збуренні (1). З урахуванням отриманої в Розділі 2 залежності для кореляційної функції нестаціонарного збурення (1), в роботі вперше отримано аналітичні вирази для визначення авто- та взаємних кореляційних функцій (для і=1) нестаціонарних коливань моделей лопаток без пошкодження:

; ,

та з пошкодженням (без врахування сил опору):

;

,

де , , , , , , , , , , - нелінійні функції інтегралів Френеля, аргументи яких залежать від параметрів моделі лопатки та параметрів збурення.

За отриманими виразами проведено дослідження впливу тріщиноподібного пошкодження на кореляційні функції нестаціонарних коливань лопатки. Розвиток пошкодження в межах = 0,01...0,1 призводить до змінювання часу, що відповідає моменту збудження власних коливань моделі лопатки нестаціонарною дією, розширення площин перерізу автокореляційної функції, збільшення на порядок компоненти взаємної кореляційної функції, яка зумовлена наявністю постійної складової в імпульсній характеристиці моделі лопатки з пошкодженням.

Для даного виду збурення виконано спектральний аналіз нестаціонарних коливань моделей лопатки без пошкодження та з пошкодженням, що дозволило визначити вплив пошкодження на СЩ коливань лопатки. З урахуванням визначеного в Розділі 2 виразу для СЩ вузькосмугового нестаціонарного вібраційного збурення, було отримано аналітичні залежності для визначення узагальнених та взаємних СЩ нестаціонарних коливань моделей лопаток без пошкодження:

;

,

та з пошкодженням:

;

,

де , , - функції параметрів нестаціонарного вібраційного збурення; , , та - нелінійні функції інтегралів Френеля, аргументи яких залежать від параметрів збурення та часу спостереження.

СЩ нестаціонарних коливань моделей лопатки складається з неперервного спектру, що характеризує вхідну нестаціонарну дію, та дискретних складових, які зумовлені реакцією відповідних моделей лопатки. Поява тріщиноподібного пошкодження призводить до збагачення СЩ нестаціонарних коливань лопатки складовими на вищих гармоніках власної частоти моделі лопатки з пошкодженням та до змінювання (в бік зменшення) часового розташування дискретних складових спектральної щільності. Відношення СЩП найбільш представницької другої гармоніки до СЩП основної гармоніки збільшується зі збільшенням параметру пошкодження , але не перевищує значення (-110,...,-70) дБ в діапазоні значень параметру пошкодження = 0,01...0,1.

У п’ятому розділі досліджується ефективність запропонованих методів обробки діагностичної інформації на стаціонарному та нестаціонарних режимах експлуатації двигуна, визначаються та досліджуються діагностичні ознаки тріщиноподібного пошкодження в лопатці робочого колеса.

Процес віброакустичного моніторингу ТС лопаток ГТД полягає в неперервному отриманні інформації про їх вібраційний та віброакустичний стан, обробці діагностичної інформації з метою виділення